Metode XRD untuk Analisis Material

Apa itu XRD (X-Ray Diffraction)

Metode XRD adalah teknik analisis yang digunakan untuk mengidentifikasi fase senyawa serta dapat memberikan informasi tentang dimensi sel kristal. Bahan yang dianalisis ditumbuk halus, dihomogenkan, serta komposisi curah rata-rata harus ditentukan.

$Metode XRD (X-Ray Powder Diffraction)$

Prinsip Dasar Difraksi Sinar-X (XRD)

Max von Laue, pada tahun 1912, menemukan bahwa zat kristal bertindak sebagai kisi difraksi tiga dimensi untuk panjang gelombang sinar-X yang serupa dengan jarak bidang dalam kisi kristal. Difraksi sinar-X sekarang menjadi teknik umum untuk mempelajari struktur kristal dan jarak atom.

Difraksi sinar-X didasarkan pada interferensi konstruktif sinar-X monokromatik dan sampel kristal. Sinar-X ini dihasilkan oleh tabung sinar katoda, disaring untuk menghasilkan radiasi monokromatik, dikolimasikan untuk berkonsentrasi, dan diarahkan ke sampel. Interaksi sinar datang dengan sampel menghasilkan interferensi konstruktif (dan sinar difraksi) ketika kondisi memenuhi Hukum Bragg (nλ = 2d sinΘ ).

Hukum ini menghubungkan panjang gelombang radiasi elektromagnetik dengan sudut difraksi dan jarak kisi dalam sampel kristal. Sinar-X yang terdifraksi ini kemudian dideteksi, diproses, dan dihitung. Dengan memindai sampel melalui rentang 2sudut, semua kemungkinan arah difraksi kisi harus dicapai karena orientasi acak dari bahan bubuk. Konversi puncak difraksi ke jarak d memungkinkan identifikasi mineral karena setiap mineral memiliki satu set jarak d yang unik. Biasanya, ini dicapai dengan perbandingan jarak-d dengan pola referensi standar.

Semua metode difraksi didasarkan pada generasi sinar-X dalam tabung sinar-X. Sinar-X ini diarahkan pada sampel, dan sinar difraksi dikumpulkan. Komponen kunci dari semua difraksi adalah sudut antara datang dan sinar difraksi. Bubuk dan difraksi kristal tunggal bervariasi dalam instrumentasi di luar ini.

Instrumentasi Difraksi Serbuk Sinar-X (XRD) - Bagaimana Cara Kerjanya?

Difraktometer sinar-X terdiri dari tiga elemen dasar: tabung sinar-X, tempat sampel, dan detektor sinar-X. Sinar-X dihasilkan dalam tabung sinar katoda dengan memanaskan filamen untuk menghasilkan elektron, mempercepat elektron menuju target dengan menyuplai tegangan, dan menabrak bahan target dari elektron. Ketika elektron memiliki energi yang cukup untuk melepaskan elektron kulit bagian dalam dari bahan target, karakteristik spektrum sinar-X akan dihasilkan.

Spektrum ini terdiri dari beberapa komponen, yang paling umum adalah K dan K . K terdiri , sebagian, dari K1 dan K2 . K 1 memiliki panjang gelombang yang sedikit lebih pendek dan intensitas dua kali lipat dari K2. Panjang gelombang spesifik adalah karakteristik dari bahan target (Cu, Fe, Mo, Cr). Penyaringan, dengan foil atau monokromters kristal, diperlukan untuk menghasilkan sinar-X monokromatik yang diperlukan untuk difraksi. K 1 dan K 2 cukup dekat dalam panjang gelombang sehingga rata-rata tertimbang dari keduanya digunakan. Tembaga adalah bahan target yang paling umum untuk difraksi kristal tunggal, dengan radiasi CuK = 1,5418. Sinar-X ini dikolimasikan dan diarahkan ke sampel. Saat sampel dan detektor diputar, intensitas sinar-X yang dipantulkan dicatat. Ketika geometri dari sinar-X yang menimpa sampel memenuhi Persamaan Bragg, interferensi konstruktif terjadi dan puncak intensitas terjadi. Detektor merekam dan memproses sinyal sinar-X ini dan mengubah sinyal menjadi kecepatan hitungan yang kemudian dikeluarkan ke perangkat seperti printer atau monitor komputer.

Geometri difraktometer sinar-X didesain sedemikian rupa sehingga sampel berputar di jalur berkas sinar-X terkolimasi pada sudut, sementara detektor sinar-X dipasang pada lengan untuk mengumpulkan sinar-X yang terdifraksi dan berputar pada sudut 2θ . Instrumen yang digunakan untuk mempertahankan sudut dan memutar sampel disebut goniometer . Untuk pola difraksi serbuk, data dikumpulkan pada mulai pada sudut 2 ~ 5 ° hingga 70 ° , sudut yang telah ditentukan sebelumnya dalam pemindaian sinar-X.

Penerapan Metode XRD

Difraksi serbuk sinar-X paling banyak digunakan untuk identifikasi bahan kristal yang tidak diketahui (misalnya mineral, senyawa anorganik). Penentuan padatan yang tidak diketahui sangat penting untuk studi di geologi, ilmu lingkungan, ilmu material, teknik dan biologi.

Aplikasi lain termasuk:

Karakterisasi bahan kristal
Identifikasi mineral berbutir halus seperti lempung serta lempung lapisan campuran yang sulit ditentukan secara optik
Penentuan dimensi sel satuan
Pengukuran kemurnian sampel

Dengan teknik khusus, XRD dapat digunakan untuk:

Menentukan struktur kristal menggunakan penyempurnaan Rietveld atau biasa disebut Rietveld Refinement
Menentukan jumlah modal mineral (analisis kuantitatif)
Mengkarakterisasi sampel film tipis dengan:

menentukan ketidakcocokan kisi antara film dan substrat dan untuk menyimpulkan tegangan dan regangan
menentukan kepadatan dislokasi dan kualitas film dengan pengukuran kurva goyang
mengukur superlattice dalam struktur epitaxial berlapis-lapis
menentukan ketebalan, kekasaran dan densitas film menggunakan pengukuran reflektifitas sinar-X insiden sekilas

Membuat pengukuran tekstur, seperti orientasi butir, dalam sampel polikristalin

Kekuatan dan Keterbatasan Difraksi Serbuk Sinar-X (XRD)?

Kelebihan Metode XRD

Berikut Adalah beberapa kelebihan dari analisis Difraksi sinar X (XRD):

Teknik yang kuat dan cepat (<20 menit) untukmengidentifikasi mineral yang tidak diketahui
Dalam kebanyakan kasus, ini memberikan penentuan mineral yang jelas
Persiapan sampel minimal diperlukan
Unit XRD tersedia secara luas
Interpretasi data relatif bersifat direct

Keterbatasan Metode XRD

Berikut adalah beberapa kekurangan dari analisis Difraksi sinar X (XRD):

Bahan homogen dan fase tunggal adalah yang terbaik untuk identifikasi yang tidak diketahui
Harus memiliki akses ke file referensi standar senyawa anorganik (d-spasi, hkl s)
Membutuhkan sepersepuluh gram bahan yang harus digiling menjadi bubuk
Untuk bahan campuran, batas deteksi adalah ~ 2% sampel
Untuk penentuan sel satuan, pengindeksan pola untuk sistem kristal non-isometrik rumit
Overlay puncak dapat terjadi dan memburuk untuk 'pantulan' sudut tinggi

Panduan Pengguna - Pengumpulan dan Persiapan Sampel

Penentuan yang tidak diketahui membutuhkan: bahan, alat untuk menggiling, dan tempat sampel.

Dapatkan beberapa persepuluh gram (atau lebih) bahan, semurni mungkin
Giling sampel menjadi bubuk halus, biasanya dalam cairan untuk meminimalkan regangan ekstra (energi permukaan) yang dapat mengimbangi posisi puncak, dan untuk mengacak orientasi. Bubuk kurang dari ~ 10 m(atau 200-mesh) dalam ukuran lebih disukai
Tempatkan ke dalam wadah sampel atau ke permukaan sampel:oleskan secara merata pada kaca objek, pastikan permukaan atas rata,bungkus ke dalam wadah sampel taburkan di double tape
Perhatian harus diberikan untuk membuat permukaan atas yang rata dan untuk mencapai distribusi orientasi kisi yang acak kecuali jika membuat noda yang berorientasi.
Untuk analisis lempung yang memerlukan orientasi tunggal, teknik khusus untuk preparasi sampel lempung diberikan oleh USGS .Untuk penentuan sel satuan, sejumlah kecil standar dengan posisi puncak yang diketahui (yang tidak mengganggu sampel) dapat ditambahkan dan digunakan untuk mengoreksi posisi puncak.

Pengumpulan Data, Hasil dan Presentasi

Pengumpulan Data Intensitas sinar-X yang terdifraksi direkam secara terus-menerus saat sampel dan detektor berputar melalui sudutnya masing-masing. Puncak intensitas terjadi ketika mineral mengandung bidang kisi dengan jarak d yang sesuai untuk mendifraksi sinar-X pada nilai tersebut . Meskipun setiap puncak terdiri dari dua refleksi terpisah (K 1 dan K 2 ) , pada nilai kecil 2 lokasi puncak tumpang tindih dengan K 2 muncul sebagai punuk di sisi K 1 . Pemisahan yang lebih besar terjadi pada nilai yang lebih tinggi . Biasanya puncak gabungan ini diperlakukan sebagai satu. 2 _posisi puncak difraksi biasanya diukur sebagai pusat puncak pada ketinggian puncak 80%.

Reduksi Data

Hasil biasanya disajikan sebagai posisi puncak pada 2theta dan jumlah sinar -X (intensitas) dalam bentuk tabel atau plot xy (ditunjukkan di atas pada gambar contoh xrd sebelumnyaa). Intensitas ( I ) dilaporkan sebagai intensitas tinggi puncak, yaitu intensitas di atas latar belakang, atau sebagai intensitas terpadu, area di bawah puncak. Intensitas relatif dicatat sebagai rasio intensitas puncak dengan puncak paling intens ( intensitas relatif = I/I 1 x 100).

Penentuan yang Tidak Diketahui

Jarak d dari masing-masing puncak kemudian diperoleh dengan solusi persamaan Bragg untuk nilai yang sesuai . Setelah semua d-spacing telah ditentukan, pencarian otomatis/rutinitas pencocokan membandingkan d s dari yang tidak diketahui dengan bahan yang diketahui. Karena setiap mineral memiliki set jarak d yang unik, pencocokan jarak d ini memberikan identifikasi sampel yang tidak diketahui. Prosedur sistematis digunakan dengan mengurutkan jarak d dalam hal intensitasnya dimulai dengan puncak yang paling intens. File d-spasi untuk ratusan ribu senyawa anorganik tersedia dari Pusat Internasional untuk Data Difraksi sebagai File Difraksi Serbuk (PDF). Banyak situs lain mengandung mineral spasi-d seperti: Database Struktur Kristal Mineralogist Amerika . Umumnya informasi ini merupakan bagian integral dari perangkat lunak yang disertakan dengan instrumentasi.

Penentuan Dimensi Sel Satuan

Untuk penentuan parameter sel satuan, setiap refleksi harus diindeks ke hkl tertentu.

Sitasi Artikel

Thinks Physics. 2022. Metode XRD (X-Ray Powder Diffraction). https://www.thinksphysics.com/2022/10/metode-xrd-x-ray-powder-diffraction.html. Diakses pada tanggal (tanggal akses anda)

Metode XRD (X-Ray Powder Diffraction)